模拟电子技术 课件 第4章 集成运算放大电路

模拟电子技术基础-第4章

集成运算放大电路CONTENTS目录01集成运算放大电路概述02差分放大电路03电流源电路04集成运放的性能指标、种类及使用注意事项05本章小结集成运算放大电路概述014.1集成运算放大电路概述集成运算放大器（IntegratedOperationalAmplifier），简称集成运放，是将晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容等元器件集成在一块半导体芯片上，由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。4.1.1集成运算放大电路的特点高增益集成运放具有非常高的开环电压增益，通常在到之间，甚至更高。这意味着即使输入电压的差值非常小，输出电压也能被显著放大。高输入阻抗集成运放的输入级通常采用差分放大电路，具有非常高的输入阻抗。理想情况下，输入阻抗无穷大，输入电流为零。低输出阻抗集成运放的输出级设计为低输出阻抗，通常在几欧姆到几十欧姆之间。低输出阻抗意味着运放能够有效地驱动较大的负载，而输出电压几乎不受负载变化的影响。4.1.1集成运算放大电路的特点高共模抑制比集成运放对共模信号（即两个输入端的相同信号）具有很强的抑制能力。共模抑制比（CMRR）是衡量运放抑制共模信号能力的指标宽频带集成运放的频率响应范围较宽，能够处理从直流到较高频率的信号。实际运放的带宽通常在几百千赫兹（kHz）到几兆赫兹（MHz）之间4.1.2集成运算放大电路的组成1.输入级：通常由差分放大电路构成2.中间级：中间级通常由多级直接耦合的共射放大电路或共源放大电路组成3.输出级：输出级通常由互补对称电路构成4.偏置电路：偏置电路主要由电流源电路构成，为各级放大电路提供稳定的工作点4.1.3集成运放的电压传输特性1.线性区（放大区）：输出电压与输入电压差成线性关系，具有线性放大作用理想情况：理想运放的开环增益无穷大，输出电压可以表示为：

4.1.3集成运放的电压传输特性2.非线性区（饱和区）：输出电压不再随输入电压差线性变化，而是接近电源电压的极限值。

差分放大电路021.差分放大电路定义：差分放大电路常作为集成运放的输入级，通常具有抑制共模信号，放大差模信号的作用。这种电路结构常用于减小信号源内阻变化、环境温度变化以及电源电压波动等因素对放大电路的影响，从而提高电路的抗干扰能力和稳定性4.2.1差分放大电路概述2.差分放大电路的组成差分放大电路通常由两个晶体管组成，这两个晶体管的特性（如放大倍数、输入阻抗等）尽量匹配，以保证电路的对称性4.2.1差分放大电路概述

4.2.1差分放大电路概述1）输入差模信号时：差分放大电路对差模信号具有放大能力。当输入差模信号时，两晶体管的电流电压变化相反，差分输出得到放大的差模信号4.2.1差分放大电路概述3.差分放大电路工作原理：2）输入共模信号时：差分放大电路对共模信号具有抑制能力。由于两输入信号相同，两晶体管的电流电压变化相同，最终差分输出为零，共模信号被抑制4.差分放大电路的四种接法：差分放大电路根据输入端和输出端的接地情形不同，可以分为四种接法。1）双端输入、双端输出2）双端输入、单端输出3）单端输入、双端输出4）单端输入、单端输出4.2.1差分放大电路概述4.差分放大电路的四种接法：4.2.1差分放大电路概述4.差分放大电路的四种接法：4.2.1差分放大电路概述4.差分放大电路的四种接法：所示的差分放大电路中，用下标“c“表示共模信号，下标”d“表示差模信号，则电路的共模输入信号表示为

差模输入信号表示为

4.2.1差分放大电路概述

1.双端输入双端输出4.2.2差分放大电路的分析1）静态分析：

由基极回路方程有

1.双端输入双端输出4.2.2差分放大电路的分析1）静态分析：因此可求出静态工作点：

1.双端输入双端输出4.2.2差分放大电路的分析

1.双端输入双端输出4.2.2差分放大电路的分析

1.双端输入双端输出4.2.2差分放大电路的分析

1.双端输入双端输出4.2.2差分放大电路的分析1.双端输入双端输出4.2.2差分放大电路的分析3）输入差模信号分析作出交流通路及等效电路图1.双端输入双端输出4.2.2差分放大电路的分析3）输入差模信号分析

1.双端输入双端输出4.2.2差分放大电路的分析3）输入差模信号分析

差模输入电阻差模输出电阻

例4-1

例4-1

（1）由基极回路方程

例4-1

（2）

例4-1

（3）

4.2.2差分放大电路的分析2.双端输入单端输出1）静态分析

4.2.2差分放大电路的分析2.双端输入单端输出1）静态分析

4.2.2差分放大电路的分析2.双端输入单端输出2）输入共模信号分析

共模放大倍数：4.2.2差分放大电路的分析2.双端输入单端输出3）输入差模信号分析

将单端的输入信号进行等效变换，将其等效成一组共模信号和一组差模信号分别加在输入两端，如图（b）所示此时输出电压可表示为4.2.2差分放大电路的分析3.单端输入双端输出

4.2.2差分放大电路的分析3.单端输入双端输出

理想情况下4.2.2差分放大电路的分析4.单端输入单端输出

4.2.2差分放大电路的分析四种接法总结

双端输出单端输出

4.2.3改进型差分放大电路1.恒流源差分放大电路

4.2.3改进型差分放大电路2.具有调零功能的差分放大电路场效应管差分放大电路除了输入电阻大的特点外，还具有其他的特点，包括：噪声低，可以减少电路的噪声干扰，提高电路的信噪比；控制电流小，功耗相对较低；电路设计相对简单，易于集成等。4.2.3改进型差分放大电路3.场效应管差分放大电路电流源电路03

4.3.1镜像电流源4.3.1镜像电流源

基准电流输出电流

4.3.2比例电流源

忽略基极电流有4.3.2比例电流源

4.3.3微电流源

忽略基极电流有

集成运放的性能指标、种类及使用注意事项044.4.1性能指标

开环共模增益指的是集成运放在无外加反馈时的共模放大倍数

开环差模增益指的是集成运放在无外加反馈时的差模放大倍数

输入失调电压是指运算放大器输出为零时，需要在输入端施加的直流补偿电压1.直流性能指标4.4.1性能指标

输入失调电流是指运算放大器两个输入端的偏置电流之差1.直流性能指标4.4.1性能指标

转换速率SlewRate（SR）转换速率是指在大信号作用下输出电压的最大变化速率2.交流性能指标4.4.1性能指标

3.其他性能指标

输入电阻反映了放大电路对信号源的影响程度，且差模输入电阻越大，通过信号源变化的电流越小1.通用型集成运算放大器4.4.2集成运算放大器的种类参数单位数值范围参数单位数值范围65~10070~900.5~2

0.5~22~50.2~20.5~0.70.3~7功耗80~120通用型集成运算放大器是具有较为均衡的性能参数，适用于大多数常规的模拟电路设计。表格呈现了通用型运放的性能指标2.专用型集成运算放大器4.4.2集成运算放大器的种类

专用型集成运算放大器是为满足特定应用需求而设计的运算放大器。它们在某一方面的性能特别突出，适用于特定的应用场景包括高阻运算放大器、高速运算放大器、低功耗运算放大器、高精度运算放大器、高电压运算放大器、大功率运算放大器等4.4.3集成运算放大器的使用注意事项1）调零的必要性集成运算放大器在实际应用中可能会存在失调参数，其会导致输出信号出现偏差，影响电路的精度。因此需要进行调零操作，来消除这些失调带来的影响2）调零方法通过外接电位器进行调零、通过外部电阻或电容进行调整3）调零注意事项调零操作应在电路工作温度范围内进行1.调零4.4.3集成运算放大器的使用注意事项2.自激振荡的消除

为了防止电路产生自激振荡，并消除各电路因共用电源而产生的相互干扰，通常需要在集成运放的电源端添加去耦电容。所谓“去耦”，即消除电路之间的相互联系。常见的做法是将一个大容量电容和一个小容量电容并联在电源的正极和负极之间，以有效滤除不同频率的噪声干扰4.4.3集成运算放大器的使用注意事项1）保护电路的必要性集成运算放大器在实际使用中可能会因为电源电压极性接反或过高、输入信号过大、输出端直接接电源导致运放因输出级功耗过大而损坏，因此需要设计保护措施以延长其使用寿命并提高可靠性2）常见的保护电路输入保护电路、输出保护电路、电